CH678306A5 - - Google Patents

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CH678306A5
CH678306A5 CH4683/89A CH468389A CH678306A5 CH 678306 A5 CH678306 A5 CH 678306A5 CH 4683/89 A CH4683/89 A CH 4683/89A CH 468389 A CH468389 A CH 468389A CH 678306 A5 CH678306 A5 CH 678306A5
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damping
film
sound
vibration
support layer
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CH4683/89A
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Thorsten Prof Dr Alts
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Matec Holding
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Description

1
CH 678 306 A5
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Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein schalldämpfendes Verbundwerk zur Lärmreduktion im Fährzeugbau, mit mindestens einem schwingfähigen Karosserieteil aus Blech oder Kunststoff und einer schwingungsdampfenden Dämpfungsfolie sowie eine für die Verwendung in diesem Verbundwerk besonders geeignete schwingungsdämpfende Dämpfungsfolie.
Solche schalldämpfenden Verbundwerke finden sich im wesentlichen im Automobilbau, wo Bodenbleche, Stirnwände, Türen, Dächer usw. mit Dämpfungsfolien beschichtet werden, um den von diesem Karosserieteil erzeugten Lärmpegel zu reduzieren. Massnahmen zur Reduktion von Schallimmissionen sind von besonderer Bedeutung, da die durch Lärm auftretenden Beeinträchtigungen anerkanntermas-sen zu subjektivem Unwohlsein, beispielsweise Kopfschmerzen, Herzklopfen oder erhöhtem Blutdruck führen. Es ist deshalb das Bestreben der modernen Automobilindustrie, den Geräuschpegel der Fahrzeuge so weit wie möglich zu reduzieren.
Die bekannten Massnahmen zur Reduktion des von vibrierenden Karosserieteilen erzeugten Lärmpegels beschränken sich auf Versteifungen und Dämpfung der fraglichen Karosserieteile und auf zusätzliche Massnahmen zur Schallisolation. So bestehen bekannte schalldämpfende Verbundwerke im wesentlichen aus einem Karosserieteil und einer darauf aufgeklebten bzw. aufgeschmolzenen biegesteifen, verlustbehafteten Dämpfungsfolie, auf welche üblicherweise wiederum schallisolierende Schichten sowie eine Dekor- oder Teppichlage aufgebracht sind. Die dabei verwendeten biegesteifen Dämpfungsfolien sind jedem Fachmann unter den verschiedensten Handelsnamen bekannt, beispielsweise Bitumenfolie X999/3-UKN.
Diese biegesteifen Dämpfungsfolien weisen verschiedene für ihre Verwendung nachteilige Eigenschaften auf. Einerseits bedingt die Applikation der verschiedenen zugeschnittenen Folien viel Platz in der Fertigungslinie und beansprucht eine aufwendige Logistik. Andererseits neigen diese Dämpfungs-felien dazu, beim Zuschneiden und bei der Verarbeitung abzubröckeln und Krümel zu bilden. Diese Krümel verschmutzen jedoch die bei der Fertigung von Fahrzeugen verwendeten Tauchbäder, insbesondere Farbbäder, in untolerierbarer Weise und machen zusätzliche Reinigungsmassnahmen erforderlich, welche die Herstellungskosten zusätzlich erhöhen.
Ein weiterer wesentlicher Nachteil dieser biegesteifen Dämfpungsfolien liegt auch in ihren temperaturabhängigen Materialeigenschaften.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein schalldämpfendes Verbundwerk zu schaffen, welches die technischen Mängel der bekannten Verbundwerke nicht aufweist.
insbesondere soll ein schalldämpfendes Verbundwerk geschaffen werden, dessen Schalldämpfungswirksamkeit gegenüber den herkömmlichen Verbundwerken verbessert ist, eine kostengünstige Montage ohne Verschmutzung der bei der Fertigung von Fahrzeugen verwendeten Tauchbäder erlaubt und auch nach längerem Gebrauch keine wesentlichen Ermüdungs- und Verschleisserscheinun-gen aufweist, d.h. seine Schalldämpfungswirksamkeit unvermindert beibehält.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgäbe mit einem schalldämpfenden Verbundwerk der eingangs genannten Art gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die schwingungsdämpfende Dämpfungsfolie mindestens aus einer biegeweichen Schwerfolie und einer damit fest verbundenen vis-ko-elastischen Auflage-Lage besteht, welche Auflage-Lage eine Vielzahl kantig strukturierte Auflageelemente umfasst,
- die Dämpfungsfolie mit ihrer Auflage-Lage lose auf dem schwingfähigen Karosserieteil aufliegt,
- und die einzelnen Auflageelemente derart geformt und angeordnet sind, dass sie zusammen mit dem schwingfähigen Karosserieteil und der biegeweichen Schwerfolie ein zusammenhängendes Hohlraumlabyrinth mit akustisch wirksamen Kavitäten bilden.
Es hat sich gezeigt, dass das erfindungsgemäs-se Verbundwerk ein gegenüber den bekannten schalldämpfenden Verbundwerken erheblich verbessertes Dämpfungsverhalten aufweist, insbesondere in den im Automobilbau störenden Frequenzbereichen. Damit können die akustischen Eigenschaften des schalldämpfenden Verbundwerks wesentlich verbessert werden, ohne die Dicke der Dämpfungsfolie weiter zu erhöhen, bzw, das Flächengewicht des Verbundwerks zu vergrössern.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäs-sen Verbundwerks liegt in seiner Herstellung bei der Verwendung im Automobilbau. Da die schalldämpfende Dämpfungsfolie für das vorliegende Verbundwerk nicht aufgeklebt oder aufgeschmolzen wird, kann diese ins Fahrzeug eingelegt werden, nachdem die Fahrzeugkarosserie ins Tauchbad getaucht und im Ofen getrocknet worden ist. Damit wird vermieden, dass Krümel der Dämpfungsfolie das Tauchbad verschmutzen. Insbesondere kann die Folie auch in dem schallisolierenden Aufbau integriert sein, wodurch der Arbeitsgang des Einlegens der Folie entfällt.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungs-gemässen Verbundwerks ergibt sich aus der Verwendung einer biegeweichen Schwerfolie, welche die erwünschten akustischen Wirkungen in einem wesentlich breiteren Temperaturintervall aufweist als herkömmliche biegesteife Bitumen-Folien. Ausserdem wird durch das beabstandete Auflegen der Schwerfolie die Temperaturkopplung zwischen dem Karosserieteil und der Schwerfolie verringert, was die Wirksamkeit des Verbundwerks auch bei extremen Temperaturen weiter verbessert.
Die verbesserte Wirksamkeit des erfindungsge-mässen Verbundwerks ist für den Fachmann insofern überraschend, als einerseits der Materialverlustfaktor einer biegeweichen Schwerfolie kleiner ist als bei biegesteifen Materialien und andererseits durch blosses Auflegen der Dämpfungsfolie das Verbundwerk, gegenüber den Verbundwerken mit aufgeklebter oder aufgeschmolzener Dämpfungsfolie, keine relevante Versteifung aufweist.
Die deutlich verbesserte akustische Dämpfungswirksamkeit liegt wesentlich im Verhalten der Grenz-
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Schicht zwischen Dämpfungsfolie und schwingendem Karosserieteil. Einerseits sorgt die äussere Reibung an dieser Grenzschicht (durch Umwandlung von Schwingungsenergie in Wärme) für offenbar höhere Energieverluste als bei den üblichen verklebten bzw. verschmolzenen Verbundwerken, andererseits können die Dämpfungsfolie und das Karosserieteil mindestens in Teilbereichen auch gegenläufig frei schwingen und ermöglichen somit einen mechanischen Impulsaustausch mit äusserst wirksamem Dämpfungseffekt.
Wesentlich für die Verbesserung des Verlustmechanismus ist die kantig-strukturierte Auflage-Lage, welche einerseits durch die Ausgestaltung der leicht verformbaren Auflageelemente den Materialverlustfaktor der Dämpfungsfolie erhöht und andererseits durch die besondere Anordnung dieser Auflageelemente ein zusammenhängendes Hohl-raumlabyrinth mit akustisch wirksamen Kavitäten bildet, welche die Reibungs- und Reflexionsverluste der hin- und herschwingenden Luft drastisch erhöhen.
In einer bevorzugten Ausführungsform haben diese Auflageelemente ein sternförmiges Profil und sind so angeordnet, dass sich dreieckförmige Kavitäten bilden.
In einer anderen Ausführungsform sind die Auflageelemente derart ausgeformt und angeordnet, dass sich kreisförmige Kavitäten bilden.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen und Merkmale des erfindungsgemässen Verbundwerks ergeben sich aus den Ansprüchen.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Hilfe der Figuren näher erläutert werden. Es zeigen;
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsge-mässes Verbundwerk,
Fig. 2 eine besondere Anordnung und Ausformung von Auflageelementen in der Auflage-Lage des erfindungsgemässen Verbundwerks,
Fig. 3 eine bevorzugte Anordnung und Ausformung von Auflage-Elementen in der Auflage-Lage des erfindungsgemässen Verbundwerks.
Das in Fig. 1 dargestellte Verbundwerk 1 umfasst ein schwingfähiges Karosserieteil 2, auf welchem die schwingungsdämpfende Dämpfungsfolie 3 aufgelegt ist. Dabei ist es für die Erfindung unwesentlich, ob das Karosserieteil 2 aus Blech oder Kunststoff gefertigt ist. Als Dämpfungsfolie 3 kann jedes in der Fahrzeugindustrie üblicherweise verwendete Schwerschichtmaterial verwendet werden. Dem Fachmann auf diesem Gebiet sind eine Vielzahl solcher Produkte bekannt. In einer erprobten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verbundwerks wird eine EPDM-Folie als Dämpfungsfolie verwendet. Üblicherweise weisen diese Dämpfungsfolien eine Dicke von 3 bis 6 mm auf.
Die für das vorliegende Verbundwerk verwendete Dämpfungsfolie 3 besteht erfindungsgemäss aus einer biegeweichen Schwerfolie 5 und einer damit fest verbundenen Auflage-Lage 4. Unter einer biegeweichen Schwerfolie soll im folgenden eine Folie verstanden werden, deren Biegesteifigkeit bei
Raumtemperatur im wesentlichen kleiner ist als diejenige einer Bitumenfolie mit grossem E-Modul, insbesondere ist bei Zimmertemperatur (ca. 23°) der statische Biegewiderstand pro Einheit der Querschnittsfläche und pro Einheit des Biegewinkels um etwa einen Faktor 4-6 kleiner als bei den üblicherweise verwendeten biegesteifen DämfpungsfoÜen.
Die mit der biegeweichen Schwerschicht 5 fest verbundene Auflage-Lage 4 setzt sich aus einer Vielzahl Auflageelemente 6 zusammen. Diese Auflageelemente 6 können aus irgendeinem Material bestehen, welches einerseits einen hohen Gleitreibungskoeffizienten und andererseits einen hohen Verlustfaktor aufweist, um eine befriedigende akustische Wirksamkeit durch direkte Reibungsverluste und durch visko-elastische Deformationsverluste zu erzielen. Diese Auflageelemente 6 können direkt aufgeklebt oder mit Hilfe einer Trägerfolie an der Schwerfolie befestigt oder durch Prägung direkt in die Schwerfolie eingeprägt werden. In einer erprobten Ausführungsform wurde eine 6 mm dicke biegeweiche Schwerfolie so geprägt, dass diese Auflageelemente 6 als ungeprägte Teilbereiche bestehen blieben und eine Dicke von 1 bis 2 mm aufwiesen.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verbundwerks ist auf der Schwerfolie 5 eine schallisolierende Schicht 7 aufgebracht. Solche schallisolierenden Schichten 7 sind dem Fachmann bekannt und können beispielsweise eine als Masse-Feder-System funktionierende Sandwich-Struktur aufweisen. In der Regel weisen diese schallisolierenden Schichten eine Dicke von ca. 20 mm auf.
Über der schallisolierenden Schicht 7 liegt insbesondere auch eine Dekor- oder Teppichschicht, wie sie in der Automobilindustrie üblich ist.
Ein derart aufgebautes Verbundwerk dämpft gleichzeitig sowohl die senkrecht zum Karosserieteil stehenden Schwingungskomponenten, im folgenden als Normalkomponenten bezeichnet, als auch die parallel zum Karosserieteil stehenden Schwingungskomponenten, im folgenden als Transversalkomponenten bezeichnet. Die direkt von dem Karosserieteil 2 auf die Dämpfungsfolie 3 übertragenen Normalkomponenten verursachen innere Deformationen und Biegeschwingungen der Folie, deren hoher Verlustfaktor wesentlich zur Dämpfung beiträgt. Dadurch, dass die Dämpfungsfolie 3 nur lose auf dem Karosserieteil 2 aufliegt, wird es der Folie ermöglicht, sich unter Umständen teilweise von dem Karosserieteil 2 abzuheben und beim Zurückfallen das Karosserieteil 2 mit einem entgegengerichteten Impulsstoss stark zu dämpfen.
Ein weiterer schalldämpfender Mechanismus zeigt sich bei Vibrationen in transversaler Richtung und besteht hauptsächlich in Scherdeformationen bei Biegeschwingungen. Diese Vibrationen deformieren die einzelnen stegförmigen Auflageelemente 6, wodurch wiederum Bewegungsenergie in Deformationsenergie umgewandelt wird. Dabei erweist es sich als wesentlich, dass die einzelnen Auflageelemente 6 kantig strukturiert sind, um damit erhöhte visko-elastisGhe Verluste in den Bereichen der einzelnen Kanten zu erzielen.
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Eine wesentliche Dämpfungswirkung wird aber durch die äussere Reibung zwischen der Auflage-Lage 4 und dem Karosserieteil 2 bewirkt, welche Reibung die Schwingungsenergie unmittelbar in Reibungswärme umwandelt und somit dem schwingenden System entzieht.
Das erfindungsgemässe Verbundwerk schenkt den dissipativen Mechanismen in der Grenzschicht und Auflage-Lage erhöhte Aufmerksamkeit. Insbesondere wird auch ein Grossteil der Schwingungsenergie der zwischen dem Karosserieteil 2 und der biegeweichen Schwerfolie 5 schwingenden Luft vernichtet.
Dazu sind die Auflageelemente 6 in besonderer Art und Weise geformt und angeordnet. Insbesondere bilden die Auflageelemente 6 zusammen mit dem Karosserieteil 2 und der Schwerfolie 5 ein Hohlraumlabyrinth, welches es der schwingenden Luft erlaubt, sich in transversaler Richtung über die ganze schwingfähige Fläche zu bewegen. Dabei verliert die schwingende Luft insbesondere durch Reibungs- und Reflexionsverluste in erhöhtem Mass Schallenergie. Wesentlich für die vorliegende Erfindung sind die durch die besondere Ausformung und Anordnung der Auflageelemente 6 gebildeten Kavitäten 12. Diese offenen Kavitäten sind derart dimensioniert, dass die für den Automobilbau relevanten Schallfrequenzen optimal resorbiert werden. Die schalldämpfenden Wirkungen dieser Hohlräume erweisen sich als überraschend hoch.
Fig. 2 und 3 zeigen Ausformungen und Anordnungen von erprobten Auflageelementen 6, welche in ihrer Gesamtheit die Auflage-Lage 4 bilden. In den erprobten Ausführungsformen weisen die akustisch wirksamen Kavitäten 12 eine Grundfläche von ca. i bzw. 5 cm auf und haben eine Höhe von ca. 1 mm. Dabei ist es aus den oben näher erläuterten Gründen wichtig, dass die einzelnen Kavitäten 12 untereinander direkt und/oder indirekt verbunden sind. Diese Verbindungsöffnungen weisen in der in Fig. 2 gezeigten Konfiguration mit kreisförmiger Grundfläche eine lichte Weite von ca. 3 mm auf und eine Länge von 5 mm.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Konfiguration der Auflageelemente zeigt sich, dass bei normalen Temperaturen von 23°C und einer für den Automobilbau charakteristischen Eigenfrequenz des Bodenblechs von ca. 130 Hz, die Dämpfungskonstante für das Abklingen der Plattenschwingung um bis zu einem Faktor 2 besser war als für eine vergleichbare unstrukturierte Bitumenfolie. Die Seitenlängen dieser dreieckförmigen Kavitäten betragen in dieser Ausführungsform ca. 2 cm, während die Breite der einzelnen Stege dieser sternförmigen Auflageelemente 6 etwa 5 mm beträgt.
Es versteht sich von selbst, dass andere Dimensionierungen der vorliegenden Auflageelemente 6 und/oder deren Konfigurationen vom Fachmann ohne erfinderisches Zutun vorgenommen werden können, um das Verbundwerk an den jeweiligen Verwendungszweck optimal anpassen zu können. Inbesondere sind für den Fachmann auch Auflage-Lagen 4 denkbar, bei welchen die Auflageelemente 6 aus verschiedenen Materialien bestehen können und insbesondere unterschiedliche Dichte aufweisen können. Es versteht sich von selbst, dass auch Massnahmen zur Erhöhung des Reibungskoeffizienten zwischen Auflage-Lage 4 und Karosserieteil 2 im allgemeinen technischen Können des Fachmanns liegen.
Der vorliegende Erfindungsgegenstand und damit alle im gewöhnlichen Handeln des Fachmanns liegenden Modifikationen desselben zeichnen sich durch die Kombination der beanspruchten Merkmale und durch die dadurch erzielte akustische Wirksamkeit aus.
Das oben beschriebene schalldämpfende Verbundwerk kann an Motorfahrzeugen jeder Art ebenso verwendet werden, wie an Bau- oder Industriemaschinen, deren Lärmpegel untolerierbare Werte aufweisen.

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1. Schalldämpfendes Verbundwerk (1) zur Lärmreduktion im Fahrzeugbau, mit mindestens einem schwingfähigen Karosserieteil (2) aus Blech oder Kunststoff und einer schwingungsdämpfenden Dämpfungsfolie (3), dadurch gekennzeichnet, dass
    - die schwingungsdämpfende Dämpfungsfolie (3) mindestens aus einer biegeweichen Schwerfolie (5) und einer damit fest verbundenen visko-elasti-schen Auflage-Lage (4) besteht, welche Auflage-Lage (4) eine Vielzahl kantig strukturierte Auflageelemente (6) umfasst,
    - die Dämpfungsfolie (3) mit ihrer Auflage-Lage (4) lose auf dem schwingfähigen Karosserieteil (2) aufliegt,
    - und die einzelnen Auflageelemente (6) derart geformt und angeordnet sind, dass sie zusammen mit dem schwingfähigen Karosserieteil (2) und der biegeweichen Schwerfolie (5) ein zusammenhängendes Hohlraumlabyrinth mit akustisch wirksamen Kavitäten (12) bilden.
    2. Schalldämpfendes Verbundwerk (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schwingfähige Karosserieteil (2) mit einem Schutzbzw. Farbbelag (8) versehen ist,
    3. Schalldämpfendes Verbundwerk (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflage-Lage (4) und die Schwerfolie (5) aus dem gleichen Material bestehen.
    4. Schalldämpfendes Verbundwerk (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die schwingungsdämpfende Dämpfungsfolie (3) einstückig ausgebildet ist und insbesondere die Auflage-Lage (4) in die Dämpfungsfolie eingeprägt ist.
    5. Schalldämpfendes Verbundwerk (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsfolie (3) eine hochgefüllte Schwerfolie ist, welche insbesondere Thermoplaste, Elastomere und Weichmacherzuschläge enthalten kann.
    6. Schalldämpfendes Verbundwerk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundwerk (1) weitere, auf der Schwerfolie (5) liegende schallisolierende Schichten (7) umfasst.
    7. Schwingungsdämpfende Dämpfungsfolie (3) für ein schalldämpfendes Verbundwerk (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämp-
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    fungsfolie (3) aus einer biegeweichen Schwerfolie (5) und einer damit fest verbundenen visko-elasti-schen Auflage-Lage (4) besteht, welche Auflage-Lage (4) eine Vielzahl kantig strukturierte Auflageelemente (6) umfasst, und die einzelnen Auflageelemente (6) derart geformt und angeordnet sind, dass sie zusammen mit einem schwingfähigen Karosserieteil (2) und der biegeweichen Schwerfolie (5) ein zusammenhängendes Hohlraumlabyrinth mit akustisch wirksamen Kavitäten (12) zu bilden vermögen.
    8. Schwingungsdämpfende Dämpfungsfolie (3) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsfolie einstückig ausgebildet ist und insbesondere die Auflage-Lage (4) in die Dämpfungsfolie eingeprägt ist.
    9. Schwingungsdämpfende Dämpfungsfolie (3) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflageelemente (6) derart geformt sind, dass die akustisch wirksamen Kavitäten eine Grundfläche von 1 bis 5 cm2 und eine Höhe von 0,1 bis 3,0 mm aufweisen.
    10. Schwingungsdämpfende Dämpfungsfolie (3) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsfolie (3) eine hochgefüllte Schwerfolie ist, welche insbesondere Thermoplaste, Elastomere und Weichmacherzuschläge enthalten kann.
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